(57)【要約】【課題】気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体の熱拡散を促進することができる冷却装置を提供する。【解決手段】冷媒槽３の底壁３１の内面３３における発熱体固定面３２０と対応する部位を、液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面３４にし、沸騰伝熱面３４に、沸騰伝熱面３４から立ち上がり、沸騰伝熱面３４の伝熱面積を増大するフィン３５を設け、フィン３５のフィン高さＨを離脱気泡径Ｄｔの１．０倍以上、３．４倍以下に設定し、フィンピッチＰを、離脱気泡径Ｄｔの２倍以上に設定する。【選択図】図３
2010050326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底壁（３１）の外面（３２）の一部が、発熱体（２）が固定される発熱体固定面（３２０）になっているとともに、前記発熱体（２）の熱を受けて沸騰する液相冷媒を貯留する冷媒槽（３）と、
前記冷媒槽（３）で沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、前記冷媒蒸気と外部流体との間で熱交換を行って前記冷媒蒸気を凝縮させる放熱部（４）とを備える冷却装置であって、
前記冷媒槽（３）の前記底壁（３１）の内面（３３）における前記発熱体固定面（３２０）と対応する部位は、前記液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面（３４）になっており、
前記沸騰伝熱面（３４）には、前記沸騰伝熱面（３４）から立ち上がり、前記沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）が設けられており、
前記フィン（３５）の前記沸騰伝熱面（３４）からの高さであるフィン高さ（Ｈ）は、前記沸騰伝熱面（３４）から前記冷媒の気泡が離脱する際の前記気泡の径である離脱気泡径（Ｄｔ）の１．０倍以上、３．４倍以下に設定されており、
隣接する２つの前記フィン（３５）間の距離であるフィンピッチ（Ｐ）は、前記離脱気泡径（Ｄｔ）の２倍以上に設定されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記フィン高さ（Ｈ）は、前記離脱気泡径（Ｄｔ）の１．０倍以上、２．８倍以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記フィン高さ（Ｈ）は、前記離脱気泡径（Ｄｔ）の１．８倍以上、２．６倍以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記複数のフィン（３５）は、前記フィン高さ（Ｈ）の異なる第１フィン（３５Ａ）および第２フィン（３５Ｂ）から構成されており、
前記第１フィン（３５Ａ）および前記第２フィン（３５Ｂ）は、交互に並んで配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記フィン（３５）は、前記フィン高さ（Ｈ）が当該フィン（３５）の長手方向において変化するように形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記複数のフィン（３５）は、前記沸騰伝熱面（３４）における前記発熱体（２）の中心部に対応する部位に近づくにつれて前記フィンピッチ（Ｐ）が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項７】
前記フィン（３５）は、前記沸騰伝熱面（３４）から遠ざかるにつれて断面積が小さくなるように形成された断面積減少部（３６２）を有していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項８】
前記フィン（３５）の側面（３５２）には、前記冷媒蒸気の排出を促進する凹部（３５３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の気化と液化による潜熱移動によって半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、沸騰伝熱面の伝熱面積を拡大させるために沸騰伝熱面にフィンを設けた冷却装置として、種々の構成が提案されている。例えば、冷媒として環境にやさしい水を採用するとともに、冷却装置の材質に銅を用い、沸騰伝熱面にフィンを設け、発泡密度を高めたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、沸騰伝熱面に複数のピラミッド状のフィンを設け、フィン階段部のコーナー部を沸騰核の形成サイトとして作用させ、冷媒の沸騰を促進させたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−９１４８２号公報
【特許文献２】特開２００４−５６１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、半導体素子用の冷却装置では、冷却対象である素子をその耐熱温度以下に保つことをその目的としている。冷却装置に用いる冷媒の種類や素子の耐熱温度によっては、冷却装置の内部を減圧状態とし、冷媒の沸点を下げる場合がある。
【０００５】
沸騰開始時の気泡径は冷却装置内の圧力に反比例して大きくなる。減圧状態での沸騰では沸騰開始時の気泡径が大きいため、沸騰伝熱面から離脱する気泡の径（以下、離脱気泡径という）が大きくなる。したがって、内部を減圧状態とする冷却装置では、気泡の排出性を悪化させない構造とする必要がある。このため、沸騰伝熱面にフィンを設けた上記特許文献１、２に記載の冷却装置においては、フィンの間隔を大きくするか、フィンの高さを低くする必要がある。
【０００６】
一方、近年では、素子の小型・高出力化に伴い、その発熱密度は増大する傾向にある。素子をその耐熱温度以下に冷却するためには、素子の熱を沸騰伝熱面に拡散させる必要がある。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体の熱拡散を促進することができる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒槽（３）の底壁（３１）の内面（３３）における発熱体固定面（３２０）と対応する部位は、液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面（３４）になっており、沸騰伝熱面（３４）には、沸騰伝熱面（３４）から立ち上がり、沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）が設けられており、フィン（３５）の沸騰伝熱面（３４）からの高さであるフィン高さ（Ｈ）は、沸騰伝熱面（３４）から冷媒の気泡が離脱する際の気泡の径である離脱気泡径（Ｄｔ）の１．０倍以上、３．４倍以下に設定されており、隣接する２つのフィン（３５）間の距離であるフィンピッチ（Ｐ）は、離脱気泡径（Ｄｔ）の２倍以上に設定されていることを特徴としている。
【０００９】
このように、沸騰伝熱面（３４）に伝熱面積を増大するフィン（３５）を設けることで、発熱体（２）の熱拡散を促進することができる。そして、フィン（３５）のフィン高さ（Ｈ）を離脱気泡径（Ｄｔ）の１．０倍以上、３．４倍以下に設定することで、後述する図６に示されるように、気泡の排出性を向上させることができる。
【００１０】
ところで、向かい合う２つのフィン（３５）の側面（３５２）での沸騰により生じた気泡が合体すると、合体した気泡の離脱気泡径は、１つのフィン（３５）の側面（３５２）での沸騰により生じた気泡の離脱気泡径（Ｄｔ）の２倍となる。このため、隣接する２つのフィン（３５）間の距離であるフィンピッチ（Ｐ）を離脱気泡径（Ｄｔ）の２倍以上に設定することで、隣接する２つのフィン（３５）間の気泡の排出性を向上させることができる。
【００１１】
以上により、気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体（２）の熱拡散を促進することが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明のように、フィン高さ（Ｈ）を、離脱気泡径（Ｄｔ）の１．０倍以上、２．８倍以下に設定することで、発熱体（２）の冷却に重要な高熱流束域の冷却性能を向上させることができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明のように、フィン高さ（Ｈ）を、離脱気泡径（Ｄｔ）の１．８倍以上、２．６倍以下に設定することで、気泡の排出性の悪化を確実に抑制しつつ、発熱体（２）の熱拡散をより促進することが可能となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明では、複数のフィン（３５）は、フィン高さ（Ｈ）の異なる第１フィン（３５Ａ）および第２フィン（３５Ｂ）から構成されており、第１フィン（３５Ａ）および第２フィン（３５Ｂ）は、交互に並んで配置されていることを特徴としている。
【００１５】
これによれば、第１フィン（３５Ａ）および第２フィン（３５Ｂ）のうち、フィン高さ（Ｈ）の高いフィン（３５Ａ）により、熱拡散を促進することができる。一方、第１フィン（３５Ａ）および第２フィン（３５Ｂ）のうち、フィン高さ（Ｈ）の低いフィン（３５Ｂ）により、気泡の排出を促進することができる。その結果、気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体（２）の熱拡散を促進することが可能となる。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明では、フィン（３５）は、フィン高さ（Ｈ）が当該フィン（３５）の長手方向において変化するように形成されていることを特徴としている。
【００１７】
これによれば、フィン（３５）のうちフィン高さ（Ｈ）が高い部位において熱拡散を促進するとともに、フィン高さ（Ｈ）の低い部位において気泡の排出を促進することができる。その結果、気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体（２）の熱拡散を促進することが可能となる。
【００１８】
また、請求項６に記載の発明では、複数のフィン（３５）は、沸騰伝熱面（３４）における発熱体（２）の中心部に対応する部位に近づくにつれてフィンピッチ（Ｐ）が大きくなるように構成されていることを特徴としている。
【００１９】
発熱体（２）が半導体素子の場合、その中心部に近づくほど温度が高くなる。このため、沸騰伝熱面（３４）の温度が高く、気泡の発生量が多い発熱体（２）の中心部に対応する部位に近づくにつれてフィンピッチ（Ｐ）を大きくすることで、気泡の排出性を向上させることができる。一方、沸騰伝熱面（３４）の温度が低く、気泡の発生量が減少する発熱体（２）の外周部に対応する部位に向かうにつれてフィンピッチ（Ｐ）を小さくすることで、熱拡散を促進することができる。その結果、気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体（２）の熱拡散を促進することが可能となる。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明では、フィン（３５）は、沸騰伝熱面（３４）から遠ざかるにつれて断面積が小さくなるように形成された断面積減少部（３６２）を有していることを特徴としている。
【００２１】
これによれば、断面積減少部（３６２）においては、隣接するフィン（３５）との間隔を大きくすることができるので、気泡の排出性を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、請求項８に記載の発明では、フィン（３５）の側面（３５２）には、冷媒蒸気の排出を促進する凹部（３５３）が設けられていることを特徴としている。
【００２３】
これによれば、凹部（３５３）においては、隣接するフィン（３５）との間隔を大きくすることができるので、気泡の排出性を向上させることが可能となる。
【００２４】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。図１は本第１実施形態に係る冷却装置１を示す斜視図で、図２は本第１実施形態に係る冷却装置１を示す断面図である。なお、図１および図２の上下方向が冷却装置１の天地方向である。
【００２７】
図１および図２に示すように、冷却装置１は、半導体素子等の発熱体２を冷却するものであり、内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、外部に発熱体２が設置される冷媒槽３と、冷媒槽３の内部と連通するとともに、冷媒槽３の上部に取り付けられ、発熱体２の熱によって気化した冷媒を液化させた後に冷媒槽３に戻す放熱部４とを備えている。
【００２８】
冷媒槽３における底壁３１の外面３２の一部は、発熱体２が固定される発熱体固定面３２０になっている。そして、発熱体２は、例えば図示しないボルト等の締め付けにより底壁３１の発熱体固定面３２０に固定されている。また、底壁３１の内面３３のうち、発熱体固定面３２０に対応する領域には、冷媒の沸騰を促進するための沸騰伝熱面３４が設けられている。本実施形態では、沸騰伝熱面３４は、底壁３１の内面３３と一体に形成されている。なお、この沸騰伝熱面３４の詳細については、後述する。
【００２９】
放熱部４は、気相冷媒の熱を外部流体としての冷却風に放熱することにより、冷媒を液化させるものである。本実施形態では、放熱部４は、冷媒槽３の沸騰伝熱面３４の上方側に配設され、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が通過する蒸気通路４１と、蒸気通路４１の上端部と連通するとともに、水平方向に延びるヘッダ部４２と、ヘッダ部４２と連通するとともに、鉛直方向に延びる複数本の放熱チューブ４３と、各放熱チューブ４３間に介在される放熱フィン４４とを備えている。
【００３０】
複数本の放熱チューブ４３の下端部は、それぞれ冷媒槽３の内部空間と連通している。放熱フィン４４は、周知のコルゲートフィンであり、放熱面積を増大させるために使用される。また、放熱フィン４４には、図２の紙面垂直方向に冷却風が通過するようになっている。以下、冷却風の流れ方向を冷却風流れ方向という。そして、真空引きされた冷却装置１の内部空間には、所定量の冷媒が封入されている。
【００３１】
冷却装置１は、例えば、銅もしくはアルミニウムにより構成されている。冷却装置１が銅により構成されている場合、冷媒として水やアルコールを採用することができる。また、冷却装置１がアルミニウムにより構成されている場合、冷媒としてアルコールや、分子構造中に塩素を含まず、温暖化係数やオゾン層破壊係数が小さな冷媒、具体的にはフッ素系冷媒やハイドロフルオロエーテル系の冷媒を採用することができる。
【００３２】
図３は、本第１実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。図３に示すように、沸騰伝熱面３４は、伝熱面積を拡大し、熱拡散を促進するための複数のフィン３５が設けられている。フィン３５は、沸騰伝熱面３４から上方側、すなわち放熱部４側に向かって立ち上がるとともに、冷却風流れ方向に平行に延びる略直方体状に形成されている。複数のフィン３５は、冷却風流れ方向と直交する方向に所定間隔を隔てて並列に配置されている。
【００３３】
以下、フィン３５の長手方向をフィン長手方向といい、複数のフィン３５の配置方向をフィン配置方向という。フィン長手方向は、冷却風流れ方向に平行になっている。また、フィン配置方向は、フィン長手方向、すなわち冷却風流れ方向に対して直交している。
【００３４】
ところで、上記構成の冷却装置１において、冷媒の沸騰を促進するには、沸騰により生じた冷媒の気泡を沸騰伝熱面３４から速やかに排除する必要がある。
【００３５】
気泡の排出性は、沸騰伝熱面３４から気泡が離脱する際の気泡の径（以下、離脱気泡径Ｄｔという）が重要になる。離脱気泡径Ｄｔは、気泡に作用する浮力と表面張力の大きさの大小関係により決定され、次の数１および数２から算出される。
【００３６】
【数１】
2010050326.tif 000003
【００３７】
【数２】
2010050326.tif 000004
【００３８】
ここで、σは表面張力、ρは密度、Ｃｐは低圧比熱、ΔＴＳＡＴは過熱度、ｉｆｇは冷媒の蒸発潜熱を示し、添え字ｌは液相冷媒、添え字ｇは冷媒蒸気を示す。なお、Ｊａは離脱気泡径Ｄｔの圧力依存性、すなわち低圧になるほど気泡の成長速度が増大することを示す因子である。
【００３９】
本実施形態の冷却装置１では、冷媒の沸点を下げるために、冷媒封入前に冷却装置１の内部圧力を減圧している。減圧状態下での沸騰では、大気圧下での沸騰に比べて、離脱気泡径Ｄｔが大きくなることが知られている。その一例として、ハイドロフルオロエーテル系の冷媒での離脱気泡径Ｄｔへの圧力の影響を図４に示す。図４中の最大圧力は大気圧、最小圧力は室温（２５℃）での飽和圧である。なお、冷却装置１内を減圧した後に冷媒を封入すると、冷却装置１の内部圧力は室温での飽和圧力になる。
【００４０】
図４からわかるように、冷却装置１内の圧力を減圧すると、大気圧の場合に比べて離脱気泡径Ｄｔが大きくなる。離脱気泡径Ｄｔが大きくなる理由は、冷却装置１内の圧力を減圧すると気泡の成長速度が増加するためである。気泡の成長速度が増加する理由は、冷媒の飽和蒸気圧の特性にある。
【００４１】
図５に冷媒の飽和蒸気圧特性の一例として、ハイドロフルオロエーテル系の冷媒の飽和温度と飽和蒸気圧の関係を示す。液相冷媒中の気泡には、表面張力、浮力、および気泡内部の蒸気圧と液相冷媒の圧力（飽和圧力）が作用する。気泡が成長するためには、表面張力に比べて、気泡内部と液相冷媒との圧力差ΔＰが大きくなる必要がある。
【００４２】
気泡成長の駆動力となる気泡内外の圧力差ΔＰは、発熱体２の熱により沸騰伝熱面３４上の気泡が加熱されることにより生じる。そして、冷却装置１内の圧力が高い程、少ない温度上昇量で大きな圧力差が発生する。
【００４３】
図５に示すように、図中のＢ点において所定の圧力差ΔPｔを生じさせるために必要となる過熱度ΔＴＢは、Ｂ点より圧力が低いＡ点で必要とされる過熱度ΔＴＡより小さくなる。このため、減圧状態で気泡を成長させるためには、大気圧下に比べて多くの熱が必要となる。そして、減圧状態では多くの熱が冷媒に供給されているために、気泡が成長し始めると、その成長速度は大気圧下に比べて大きな値となる。
【００４４】
また、減圧状態において気泡の成長速度が増加するもう一つの理由として、蒸気密度の圧力依存性がある。所定の熱量（単位：Ｗ）を除熱するために必要な液相冷媒の単位時間あたりの蒸発量（単位：ｋｇ／ｓ）は、熱量と潜熱（単位：ｋＪ／ｋｇ）の比となる。単位時間あたりに発生する冷媒蒸気の体積（単位：ｍ３／ｓ）は、蒸発量と蒸気密度（単位：ｋｇ／ｍ３）の比となる。ここで、蒸気密度は、冷却装置１内部の圧力が低下する程、小さくなる。その結果、冷却装置１内を減圧すると蒸気の発生体積が増加し、気泡の成長速度が増加する。
【００４５】
ここで、本発明者は、上記構成になるフィン３５について、フィン３５の高さ方向の長さ（以下、フィン高さＨという）、および隣接する２つのフィン３５間の距離（以下、フィンピッチＰという）の最適仕様の検討を行った。なお、フィン３５の高さ方向は、フィン長手方向およびフィン配置方向に共に直交している。
【００４６】
図６は離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比と、フィン３５を設けない従来の沸騰伝熱面の過熱度に対する本第１実施形態のフィン３５を設けた沸騰伝熱面３４の過熱度の比との関係を実験により求めた結果を示す図で、図７は、図６中の後述する領域Ｉ〜ＩＩＩにおける沸騰伝熱面３４およびフィン３５での沸騰状況を示す概略断面図である。
【００４７】
図６中、発熱体２の最高発熱密度が３０Ｗ／ｃｍ２以上となる場合（以下、高熱流束域という）のグラフ曲線は実線、発熱体２の最高発熱密度が３０Ｗ／ｃｍ２を下回る場合（以下、低熱流束域という）のグラフ曲線は破線にて示してある。
【００４８】
図６に示すように、離脱気泡径Ｄｔとフィン高さＨの関係から、３つの領域に分類できる。図６中の領域Ｉでは、フィン３５の高さが離脱気泡径Ｄｔより小さいため、図７（ａ）に示すように、フィン３５が気泡中に埋没し、拡大伝熱面として寄与することができない。この場合の冷却性能は、フィン３５を設けない従来の沸騰伝熱面と同等になる。
【００４９】
一方、図６中の領域ＩＩＩでは、フィン３５が高すぎるため、図７（ｃ）に示すように、フィン３５の根元部３５１、すなわちフィン３５の側面３５２と沸騰伝熱面３４とにより形成される角部や、フィン３５の側面３５２で生じた気泡の排出性が悪化する。この領域では、気泡の排出性が悪化し、液冷媒の供給→沸騰→気泡の排出のサイクルが速やかに回らなくなり、冷却性能が低下する。
【００５０】
図６中の領域Ｉと領域ＩＩＩの間にある領域ＩＩでは、図７（ｂ）に示すように、隣接するフィン３５間からの気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体２の発熱をフィン３５に拡散させることができる。ここで、フィン高さＨとしては、蒸気発生量が少ない低熱流束域では離脱気泡径Ｄｔの１．０倍以上、３．４倍以下とし、蒸気発生量が増加する高熱流束域では離脱気泡径Ｄｔの１．０倍以上、２．８倍以下とすることが望ましい。また、発熱体２の冷却に重要な高熱流束域の性能から判断すると、フィン高さＨを離脱気泡径Ｄｔの１．０倍以上、２．８倍以下とすることにより、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となり、高い冷却性能を得ることができる。さらに、フィン高さＨを離脱気泡径Ｄｔの１．８倍以上、２．６倍以下とすることがより望ましい。
【００５１】
ところで、本実施形態のようなフィン３５を有する沸騰伝熱面３４では、発熱体２の発熱量が増加すると、沸騰領域はフィン３５の根元部３５１からフィン３５の側面３５２まで拡大する。
【００５２】
隣接する２つのフィン３５の間隙部では、一方のフィン３５の側面３５２での沸騰と、当該一方のフィン３５に対向する他方のフィン３５の側面３５２での沸騰が生じる。これら向かい合う２つのフィン３５の側面３５２での沸騰により生じた気泡が合体すると、２つのフィン３５の側面３５２への液相冷媒の供給性が悪化してしまい、冷却性能が低下する。したがって、隣接する２つのフィン３５の間隔であるフィンピッチＰは、一方のフィン３５の側面３５２での離脱気泡経Ｄｔと、当該一方のフィン３５に対向する他方のフィン３５の側面での離脱気泡経Ｄｔとの和、すなわち離脱気泡径Ｄｔの２倍以上とすることが望ましい。
【００５３】
なお、冷媒の種類や減圧状態が変化すると離脱気泡径Ｄｔの値は変化する。しかし、図６に示したようなフィン高さＨと離脱気泡径Ｄｔの比により沸騰伝熱面３４の過熱度が３つの領域Ｉ〜ＩＩＩに分類されるという関係は、離脱気泡径Ｄｔの値が変わっても成立する。
【００５４】
以上説明したように、フィン３５の高さＨを離脱気泡径Ｄｔの１．０倍以上、３．４倍以下に設定するとともに、隣接する２つのフィン３５間の距離であるフィンピッチＰを離脱気泡径Ｄｔの２倍以上に設定することで、気泡の排出性を悪化させることなく、発熱体２の熱拡散を促進することができる。
【００５５】
また、フィン３５の高さＨを離脱気泡径Ｄｔの１．０倍以上、２．８倍以下に設定することで、発熱体２の冷却に重要な高熱流束域の冷却性能を向上させることができる。
【００５６】
また、フィン３５の高さＨを離脱気泡径Ｄｔの１．８倍以上、２．６倍以下に設定することで、気泡の排出性の悪化を確実に抑制しつつ、発熱体２の熱拡散をより促進することができるので、冷却性能をさらに向上させることが可能となる。
【００５７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８〜図１０に基づいて説明する。図８は、本第２実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【００５８】
図８に示すように、本実施形態では、フィン配置方向に、フィン高さＨの異なる二種類のフィン３５が交互に配置されている。具体的には、複数のフィン３５は、フィン高さＨが互いに異なる第１フィン３５Ａおよび第２フィン３５Ｂから構成されている。第１フィン３５Ａは、第２フィン３５Ｂよりフィン高さＨが高くなっている。第１フィン３５Ａのフィン配置方向両隣には、第２フィン３５Ｂがそれぞれ配置されている。すなわち、第１、第２フィン３５Ａ、３５Ｂは、フィン配置方向に交互に配置されている。
【００５９】
このように、第１フィン３５Ａのフィン高さＨを高くすることで、熱拡散を促進することができる。一方、第２フィン３５Ｂのフィン高さＨを低くすることで、気泡の排出を促進することができる。その結果、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となり、高い冷却性能を得ることができる。
【００６０】
図９は発熱体２の発熱量と離脱気泡径Ｄｔとの関係を示す特性図で、図１０は離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比と、フィン３５を設けない従来の沸騰伝熱面の過熱度に対するフィン３５を設けた沸騰伝熱面３４の過熱度の比との関係を示す特性図である。図９、１０中のＡ点は標準作動時の発熱体２の発熱量を、Ｂ点は発熱体２の最大発熱量を、Ｃ点は発熱体２の最小発熱量を示す。
【００６１】
図９に示すように、発熱体２の発熱量が増加すると離脱気泡径Ｄｔは大きくなり、発熱体２の発熱量が減少すると離脱気泡径Ｄｔは小さくなる。発熱体２の発熱量が増加してＡ点からＢ点に変化すると、離脱気泡径Ｄｔが大きくなるため、フィン高さＨが一定の場合、離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比が小さくなり、図１０に示すように冷却性能が低下する。一方、図９に示すように発熱体２の発熱量が減少してＡ点からＣ点に変化すると、離脱気泡径Ｄｔが小さくなるため、フィン高さＨが一定の場合、離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比が大きくなり、図１０に示すように冷却性能が低下する。
【００６２】
そして、発熱体２の発熱量が大きいＢ点の条件においても高い冷却性能を保つためには、図１０に示すように条件Ｂの離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比を１．８以上とする必要がある。しかしながら、発熱量が大きい状態が発熱体２の作動範囲に占める割合が小さい場合には、すべてのフィン３５の高さを条件Ｂの離脱気泡径Ｄｔの１．８倍以上とすると、標準作動時の性能が低下してしまう。
【００６３】
また、発熱体２の発熱量が小さいＣ点の条件においても高い冷却性能を保つためには、図１０に示すように条件Ｃの離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比を１．８より小さくする必要がある。しかしながら、発熱量が小さい状態が発熱体２の作動範囲に占める割合が小さい場合には、すべてのフィン３５の高さを条件Ｃの離脱気泡径Ｄｔの１．８倍より小さくすると、標準作動時の性能が低下してしまう。
【００６４】
そこで、本実施形態では、複数のフィン３５の高さをフィン配置方向で交互に変化させ、第１フィン３５Ａでは発熱体２の発熱量が大きい条件、すなわち図９、１０中のＢ点の作動時に最適となるフィン高さＨとし、第２フィン３５Ｂでは発熱体２の発熱量が小さい条件、すなわち図９、１０中のＣ点の作動時に最適となるフィン高さＨとしている。具体的には、第１フィン３５Ａのフィン高さＨを、離脱気泡径Ｄｔの１．８倍以上、２．６倍以下に設定し、第２フィン３５Ｂのフィン高さＨを、離脱気泡径Ｄｔの１．０倍以上、１．８倍より小さい範囲内に設定するのが望ましい。
【００６５】
なお、離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比の範囲は、発熱体２の最小発熱量、標準発熱量、および最大発熱量と、それぞれの領域が占める時間割合から、冷却性能が最適になるように決定する。
【００６６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１１に基づいて説明する。図１１は、本第３実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【００６７】
図１１に示すように、フィン３５は、フィン高さＨがフィン長手方向において徐々に変化するように形成されている。また、本実施形態では、フィン配置方向に二種類のフィン３５が交互に配置されている。具体的には、複数のフィン３５は、フィン長手方向一側（紙面手前側）に向かうにつれてフィン高さＨが高くなる第１フィン３５Ａ、およびフィン長手方向他側（紙面奥側）に向かうにつれてフィン高さＨが高くなる第２フィン３５Ｂから構成されている。第１フィン３５Ａのフィン配置方向両隣には、第２フィン３５Ｂがそれぞれ配置されている。すなわち、第１、第２フィン３５Ａ、３５Ｂは、フィン配置方向に交互に配置されている。
【００６８】
第１フィン３５Ａにおけるフィン高さＨが最も高い部位、すなわちフィン長手方向一側端部のフィン高さ（以下、第１フィン高さＨ１という）は、第２フィン３５Ｂにおけるフィン高さが最も高い部位、すなわちフィン長手方向他側端部のフィン高さ（以下、第２フィン高さＨ２という）と同一になっている。また、第１フィン３５Ａにおけるフィン高さＨが最も低い部位、すなわちフィン長手方向他側端部のフィン高さ（以下、第３フィン高さＨ３という）は、第２フィン３５Ｂにおけるフィン高さが最も低い部位、すなわちフィン長手方向一側端部のフィン高さ（以下、第４フィン高さＨ４という）と同一になっている。
【００６９】
なお、第１フィン高さＨ１および第２フィン高さＨ２は、離脱気泡径Ｄｔの１．８倍〜２．６倍とすることが望ましい。第３フィン高さＨ３および第４フィン高さＨ４は、離脱気泡径Ｄｔの１．０倍〜１．８倍とすることが望ましい。
【００７０】
以上説明したように、フィン３５を、フィン高さＨがフィン長手方向において徐々に変化するように形成することで、フィン高さＨが高い部位において熱拡散を促進するとともに、フィン高さＨの低い部位において気泡の排出を促進することができる。その結果、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となり、高い冷却性能を得ることができる。
【００７１】
また、本実施形態のように、フィン長手方向一側に向かうにつれてフィン高さＨが高くなる第１フィン３５Ａ、およびフィン長手方向他側に向かうにつれてフィン高さＨが高くなる第２フィン３５Ｂを、フィン配置方向に交互に配置することで、沸騰伝熱面３４の全域において、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となる。
【００７２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１２に基づいて説明する。図１２は、本第４実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【００７３】
図１２に示すように、本実施形態の複数のフィン３５は、全て同一形状になっている。フィン３５は、フィン配置方向から見た断面が略ホームベース状になっている。具体的には、フィン３５は、フィン長手方向の両端部からフィン長手方向の中央部に向かって徐々にフィン高さＨが高くなるように形成されている。すなわち、フィン３５は、フィン長手方向の中央部においてフィン高さＨが最も高くなっている。なお、フィン３５の幅、すなわちフィン配置方向の長さは、フィン長手方向の全域にわたって一定になっている。
【００７４】
これによれば、上記第３実施形態と同様、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となり、高い冷却性能を得ることができる。
【００７５】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１３に基づいて説明する。図１３は、本第５実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【００７６】
図１３に示すように、本実施形態の複数のフィン３５は、全て同一形状になっている。フィン３５は、フィン長手方向から見た断面が略ホームベース状になっている。具体的には、フィン３５は、フィン配置方向の両端部からフィン配置方向の中央部に向かって徐々にフィン高さＨが高くなるように形成されている。すなわち、フィン３５は、フィン配置方向の中央部においてフィン高さＨが最も高くなっている。
【００７７】
より詳細には、フィン３５は、フィン長手方向から見た断面が矩形状になっている断面矩形部３６１と、フィン長手方向から見た断面が三角形状になっている断面三角部３６２とを有している。断面三角部３６２は、断面矩形部３６１より上方側に配置されているとともに、断面矩形部３６２と一体に形成されている。
【００７８】
断面矩形部３６１は、沸騰伝熱面３４からの距離に関わらず断面積が一定となっている。一方、断面三角部３６２は、沸騰伝熱面３４から遠ざかるにつれて断面積が小さくなっており、本発明の断面積減少部に相当している。
【００７９】
以上説明したように、フィン３５に断面三角部３６２を設けることで、断面三角部３６２においては、隣接するフィン３５との間隔、すなわちフィンピッチＰを大きくすることができるので、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、本実施形態においても、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となり、高い冷却性能を得ることができる。
【００８０】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１４に基づいて説明する。図１４は、本第６実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【００８１】
図１４に示すように、本実施形態の複数のフィン３５は、全て同一形状になっている。フィン３５の側面３５２には、フィン配置方向に凹んだ凹部３５３が形成されている。より詳細には、フィン３５の一方の側面３５２（紙面右側の側面３５２）には、フィン長手方向一側（紙面手前側）に凹部３５３が設けられており、他方の側面３５２（紙面左側の側面３５２）には、フィン長手方向他側（紙面奥側）に凹部３５３が設けられている。なお、本実施形態では、凹部３５３の底面３５４は、沸騰伝熱面３４に対して垂直、すなわちフィン３５の側面３５２に対して平行になっている。
【００８２】
以上説明したように、フィン３５の側面３５２に凹部３５３を設けることで、凹部３５３においては、隣接するフィン３５との間隔、すなわちフィンピッチＰを大きくすることができるので、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、本実施形態においても、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となり、高い冷却性能を得ることができる。
【００８３】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図１５に基づいて説明する。図１５は、本第７実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【００８４】
図１５に示すように、本実施形態の複数のフィン３５は、フィン長手方向およびフィン配置方向の中心部、すなわち発熱体２の中央部に対応する部位においてフィンピッチＰが最も大きくなり、フィン長手方向の外側およびフィン配置方向の外側に向かって徐々にフィンピッチＰが小さくなるように構成されている。
【００８５】
詳細には、複数のフィン３５のうちフィン配置方向の中央部に配置されるフィン３５（以下、第３フィン３５Ｃという）は、フィン長手方向に平行に延びている。複数のフィン３５のうち第３フィン３５Ｃを除くフィン３５（以下、第４フィン３５Ｄという）は、フィン長手方向の中央部に向かうにつれて第３フィン３５Ｃから遠ざかるように、フィン高さ方向から見た断面形状が略くの字状になっている。
【００８６】
フィン長手方向の両端部において、第３フィン３５Ｃと隣接する第４フィン３５Ｄとの間のフィンピッチＰ、および隣接する第４フィン３５Ｄ間のフィンピッチＰは、互いに等しくなっている。フィン長手方向の中央部において、第３フィン３５Ｃと、第３フィン３５Ｃに隣接する第４フィン３５Ｄとの間のフィンピッチＰは、隣接する第４フィン３５Ｄ間のフィンピッチより大きくなっている。また、フィン長手方向の中央部において、隣接する第４フィン３５Ｄ間のフィンピッチＰは、フィン配置方向の外側に向かうにつれて、すなわち第３フィン３５Ｃから遠ざかるにつれて小さくなっている。
【００８７】
発熱体２が半導体素子の場合、その中心部に近づくほど温度が高くなる。このため、発熱体２の中心部における熱拡散を促進するために、フィン高さＨを高くすると、蒸気の排出性が悪化するため、冷却性能が低下してしまう。
【００８８】
これに対し、本実施形態では、沸騰伝熱面３４の温度が高く、気泡の発生量が多い発熱体２の中心部に対応する部位ではフィンピッチＰを大きくしているので、気泡の排出性を向上させることができる。一方、沸騰伝熱面３４の温度が低く、気泡の発生量が減少する発熱体２の外周部に対応する部位に向かうにつれてフィンピッチＰを小さくすることで、熱拡散を促進することができる。その結果、気泡の排出性を悪化させることなく、熱拡散を促進することが可能となり、高い冷却性能を得ることができる。
【００８９】
（他の実施形態）
なお、上記第６実施形態では、凹部３５３の底面３５４を、フィン３５の側面３５２に対して平行にした例について説明したが、これに限らず、フィン３５の側面３５２に対して、沸騰伝熱面３４から遠ざかるにつれて隣接するフィン３５からの距離が長くなるように傾斜させてもよい。これによれば、気泡の排出性をより向上させることができる。
【００９０】
また、上記各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１実施形態に係る冷却装置１を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る冷却装置１を示す断面図である。
【図３】第１実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【図４】ハイドロフルオロエーテル系の冷媒の過熱度と離脱気泡径Ｄｔとの関係を示す特性図である。
【図５】ハイドロフルオロエーテル系の冷媒の飽和温度と蒸気圧との関係を示す特性図である。
【図６】離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比と、フィン３５を設けない沸騰伝熱面の過熱度に対する本第１実施形態の沸騰伝熱面３４の過熱度の比との関係を実験により求めた結果を示す図である。
【図７】図６中の領域Ｉ〜ＩＩＩにおける沸騰伝熱面３４およびフィン３５での沸騰状況を示す概略断面図である。
【図８】第２実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【図９】発熱体２の発熱量と離脱気泡径Ｄｔとの関係を示す特性図である。
【図１０】離脱気泡径Ｄｔに対するフィン高さＨの比と、フィン３５を設けない沸騰伝熱面の過熱度に対するフィン３５を設けた沸騰伝熱面３４の過熱度の比との関係を示す特性図である。
【図１１】第３実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【図１２】第４実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【図１３】第５実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【図１４】第６実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【図１５】第７実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００９２】
２      発熱体
３      冷媒槽
４      放熱部
３４    沸騰伝熱面
３５    フィン
３５Ａ  第１フィン
３５Ｂ  第２フィン
３２０  発熱体固定面
３５３  凹部
３６２  断面三角部（断面積減少部）
【図１】
2010050326.tif 000005
【図２】
2010050326.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010050326.tif 000009
【図６】
2010050326.tif 000010
【図７】
2010050326.tif 000011
【図８】
2010050326.tif 000012
【図９】
2010050326.tif 000013
【図１０】
2010050326.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2010050326.tif 000018
【図１５】
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